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匯春科技丨探尋芯片的內部結構

半導體材料是導電能力介于導體和絕緣體之間的一類固體材料。與導體和絕緣體相比,半導體是最晚發現的。當材料的提純技術改進后,半導體才得到工業界的重視。常見的半導體材料有:硅、鍺、砷化鎵等,硅是商業應用上最具有影響力的一種半導體材料。


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半導體產品分為集成電路、敏感器件、光電子器件和分立元件四種,其中集成電路占比超過80%,而芯片又是集成電路的載體,所以大體上我們把半導體等同于集成電路。


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芯片雖然看起來很小,但它內部結構非常復雜,尤其是最核心的微型單元擁有成千上萬個晶體管。那么芯片的內部結構是怎么樣的呢,讓我們由宏觀到微觀方面一起來梳理一下。


系統級

以手機為例,整個手機是一個復雜的電路系統,可以玩游戲、打電話、聽音樂,它的內部結構是由多個半導體芯片以及電阻、電感、電容互相連接組成的,稱為系統級。


模塊級


在整個系統中,不同模塊各司其職有的負責管理電源,有的負責通信,有的負責顯示,有的負責發聲,有的負責統領全局,這些我們都成為模塊級。


寄存器傳輸級


一個復雜的功能模塊由許多寄存器和組合邏輯組成。

寄存器是一個能夠暫時存儲邏輯值的電路結構,它需要一個時鐘信號來控制邏輯值存儲的時間長短。

實際應用中,我們需要時鐘來衡量時間長短,電路中也需要時鐘信號來統籌安排。時鐘信號是一個周期文檔的矩形波。現實中秒鐘動一下是我們的一個基本時間尺度,電路中矩形波震蕩一個周期是它們世界的一個時間尺度。電路元件們根據這個時間尺度相應地做出動作,履行義務。

組合邏輯是有很多“與(AND)、或(OR)、非(NOT)” 邏輯門構成的組合。比如兩個串聯燈泡各帶一個開關,只有兩個開關同時打開燈才會亮,叫做與門邏輯。


門級


寄存器傳輸級中的寄存器也是由與或非邏輯構成的,把它再細分為與、或、非邏輯便達到門級,因它們像一扇扇門阻擋或允許電信號進出所以叫門級。


晶體管級


所有的邏輯門都是由一個個晶體管構成的。因此集成電路的最底層就是晶體管以及連接它們的導線。

雙極性晶體管(BJT)在早期的時候用的比較多,俗稱三極管。它連上電阻、電源、電容,本身就具有放大信號的作用。

像堆積木一樣,可以用它構成各種各樣的電路,比如開關、電壓/電流源電路、上面提到的邏輯門電路、濾波器、比較器、加法器甚至積分器等等。由BJT構建的電路我們稱為TTL(Transistor-TransistorLogic)電路。BJT的電路符號如下:


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但是后來金屬-氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)的出現,以優良的電學特性、超低的功耗橫掃IC領域。除了模擬電路中BJT還有身影外,基本上現在的集成電路都是由MOS管組成的了。

同樣的,由它也可以搭起來成千上萬種電路。而且它本身也可以經過適當連接用來作電阻、電容等基本電路元件。MOSFET的電路符號如下:

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綜上所述,在實際工業生產中,芯片的制造,實際上就是成千上萬個晶體管制造的過程只不過與現實中制造芯片的層級順序正好相反,芯片制造是從最底層的晶體管開始一層層向上搭建的。

匯春科技自2007年以來就致力于消費類電子產品的芯片設計,是國內領先的集成電路芯片設計公司之一。目前公司擁有手勢識別、光電sensor、觸控IC、麥肯MCU四個系列產品,歡迎更大廠商前來咨詢了解。


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